Bachelorarbeiten

Energieeinsparung durch Massereduzierung ist nicht nur im Automobilbau ein häufig verfolgter Ansatz. Eine Werkstoffgruppe mit hohem Leichtbau- und Großserienpotential sind Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) auf thermoplastischer Basis. Oftmals aufwändige und zeitintensive Vorversuche limitieren aber den vermehrten Einsatz dieser Materialgruppe. Diese Grundlagen sind jedoch nötig, um das ideale, materialspezifische Parameterprofil - vornehmlich bestehend aus Prozessdruck und -temperatur sowie Gesamtpresszeit - festzulegen. Die vorliegende Arbeit setzt sich zunächst mit den theoretischen Grundlagen und Arten der Herstellung von endlosglasfaserverstärkten Thermoplast-Halbzeugen auseinander, wobei die Laminatqualität in großem Maße von den Prozessen der Imprägnierung und Konsolidierung beeinflusst wird. Die Parameter der Vorversuche auf einer statischen Laborpresse (STAT) werden transferiert und auf einer industrienahen Intervall-Heißpresse (IVHP) nachgefahren. Die entstehenden Organobleche werden einer analytischen und mechanischen Prüfung unterzogen. Dabei erweisen sich vor allem die statische 3-Punkt-Biegeprüfung und die Ermittlung der Verbunddichte nach der Eintauchmethode als besonders geeignet. Zur Aufklärung des Imprägnierungsfortschritts werden Mikroskopieaufnahmen der FKV-Platten qualitativ ausgewertet und verglichen. Die Auswertung der Analysemethoden belegt, dass das Temperatur-Druck-Profil der IVHP zu komplex ist, um einen konform deckungsgleichen Übertrag von der STAT zu realisieren. Dennoch ist eine eindeutige Abhängigkeit der Laminatqualität von den definierten Prozessparametern nachweisbar. Eine Erhöhung einer der Parameter Druck, Temperatur und Zeit bewirkt, sowohl bei der statischen als auch bei der semi-kontinuierlichen Fertigung, einen Anstieg der untersuchten Werkstoffkennwerte, welche den Imprägnierungsfortschritt abbilden. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit dienen als Grundlage für tiefergehende Untersuchungen an den Einrichtungen der "Neue Materialien Fürth GmbH".

Das Laserstrahlschweißen hat sich in den vergangenen Jahren zu einem der wichtigsten Fertigungsprozesse in der Herstellung von Doppelkupplungen entwickelt. Hohe Stückzahlen und Qualitätsansprüche der Kunden verlangen stabil geführte Prozesse und genaue Einstellungen der Fertigungsparameter. Die vorliegende Bachelor-Arbeit befasst sich im Rahmen der Qualitätssicherung mit der Weiterentwicklung eines Laserschweißprozesses in der Doppelkupplungsfertigung. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Schweißnaht der motorseitig angebrachten Baugruppe von Außenlamellenträger und Nabe. Mithilfe der statistischen Versuchsplanung werden Form und Breite der Naht auf eine höhere Anbindungsbreite hin optimiert. Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht werden dabei unterbunden und Versatzprobleme zwischen Naht und Schweißspalt durch eine zusätzliche Sicherheit ausgeglichen. Die Haupteinflussgrößen werden im Findungsprozess mithilfe von Ursache-Wirkungsdiagrammen herausgearbeitet und auf das Wesentliche reduziert. Anschließend geben Schweißversuche mit variierten Parametereinstellungen und statistische Analysen des DoE Aufschluss über die Änderungen der Zielgrößen. Die Einführung der geänderten Prozessparameter in den Produktionszyklus erfordert anschließend eine Machbarkeitsanalyse. Maßliche Untersuchungen zeigen dabei den Einfluss der variierten Laserleistung auf den Verzug der Schweißbaugruppe. Ebenso werden Grenzmusterteile zur Untersuchung der maximal auftretenden Toleranzen betrachtet und die Stabilität der Schweißnähte durch Torsionsbelastungstests verifiziert. Abschließende 2D-Röntgenuntersuchungen zeigen die Eigenschaften der Schweißnaht im Hinblick auf Poren- und Rissbildung.

Nicht leitfähige Fasern lassen sich mit einer großen Anzahl an Verfahren zu Fasern verarbeiten. Eine neue Methode zur Herstellung nicht leitfähiger Fasern stellt das, in dieser Arbeit beschriebene, Plasmaverdüsen dar. Die Besonderheit hier ist die Nutzung eines DC-Plasmas, welche sowohl zur Erzeugung der Schmelzmasse als auch zum anschließenden Ziehen der Faser genutzt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Parameter auf die plasmagestützte Faserherstellung untersucht. Dazu wurden Parameter wie Werkstoff und Werkstoffgeometrie, die Plasmadüsengeometrie und der Abstand zwischen Plasmadüse und Werkstoffzuführung variiert. Solch nicht leitfähige Fasern könnten einen ökonomischen Einsatz in Filtern für Gas- oder Flüssigkeitsfiltration finden.

Im modernen Maschinen- und Anlagenbau werden vermehrt Faserverbundkunststoffe eingesetzt. Diese Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, aber auch generell niedrigere Wärmeleitfähigkeit (WLF) als die ersetzten traditionellen Metallwerkstoffe aus. Besonders kritisch ist die schlechte Wärmeleitung senkrecht zur Richtung der Verstärkungsfaser. Dies kann bei Bauteilen mit höherer thermischer Belastung, wie z.B. elektrischen Antrieben, zu einem Wärmestau und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Deshalb ist es ein zentrales Ziel der Bachelorarbeit die WLF von Faserverbundkunststoffen quer zur Faserrichtung zu erhöhen. Im Zuge dieser Arbeit wurden die theoretischen Grundlagen des Wärmetransports, insbesondere der Wärmeübertragung in Kunststoffen recherchiert. Die Werkstoffeigenschaften der Matrix, der anisotropen Kohlenstofffaser und des extrem anisotropen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs (CFK) als Versuchswerkstoff wurden analysiert. Nach der Betrachtung des Resin-Transfer-Moulding (RTM) als Herstellungsverfahren, konnten die Konzepte zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit schließlich erarbeitet werden. Eine Erhöhung der WLF durch die Zugabe von wärmeleitenden Füllstoffen zur isolierenden Matrix stellte sich dabei als vielversprechender praktischer Ansatz heraus. Zur Messung des Füllstoffeinflusses auf die Wärmeleitfähigkeit der flächigen Laminate, wurden verschiedene Messverfahren betrachtet. Das Plattengerät stellt hierbei das geeignetste Messverfahren zur Bestimmung der Wärmleitfähigkeit quer zur Faserrichtung des anisotropen Werkstoffs dar. Im Zuge einer mehrwertigen Bewertung wurden Bornitrid, Aluminium und Graphen als leistungsfähigste Füllstoffe zur experimentellen Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ausgewählt. In den Messergebnissen der WLF zeigte sich eine Überlagerung mehrerer, die WLF beeinflussender Effekte. Dazu zählen der Faservolumengehalt, die Probendicke und der Füllstoff, mit Füllstoffvolumengehalt und Füllstoffwärmeleitfähigkeit. Bedingt durch den niedrigen Füllstoffanteil im RTM-Verfahren konnten keine signifikanten Erhöhungen der Wärmeleitfähigkeit durch Füllstoffe nachgewiesen werden. Bei der Prüfung der thermischen Ausdehnung und der mechanischen Eigenschaften zeigte sich die Auswirkung und Überlagerung des Faservolumengehalts und des Füllstoffeinflusses. Entsprechend der theoretischen Erwartung schwächte der Füllstoff die Zug- und Biegeeigenschaften der Faserverbundkunststoffe. Die größten Festigkeiten und Moduli wies dabei stets das reine CFK-Laminat ohne Füllstoff und mit dem größten Faservolumengehalt auf.

In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden tribologischen Eigenschaften zellularer metallischer Werkstoffe (ZMW) im ungeschmierten Gleitversuch ermittelt. Sechs verschiedene, offenporige Schaumproben werden auf einem Tribometer der Konfiguration Kugel/Scheibe untersucht. Der Versuchsumfang umfasst fünf Versuchsreihen, bei denen die Parameter Normalkraft und Gleitgeschwindigkeit variiert werden. Für zwei Proben werden individuelle Zusatzversuche durchgeführt. Die Messergebnisse werden probenspezifisch ausgewertet und das Verhalten in Abhängigkeit von den variierten Parametern und der Porengröße bestimmt. Im Anschluss an die Versuche wird die Reibbahn auf der Probenoberfläche mikroskopisch untersucht, um das Deformations- und Verschleißverhalten der Schaumproben nachzuvollziehen. Die ZMW weisen, abhängig von ihrer stofflichen Zusammensetzung, eine sehr unterschiedliche Standfestigkeit gegenüber tribologischen Belastungen auf. Aus den Messwerten ergibt sich für alle Proben ein indirekt proportionaler Zusammenhang zwischen Reibzahl und Normalkraft sowie eine direkte Proportionalität von Reibzahl und Porengröße. Bei der mikroskopischen Betrachtung ist festzustellen, dass die Reibbahn größtenteils durch plastische Deformation der Schaumstruktur entsteht. Am deutlichsten als reine Auswirkung der tribologischen Belastung sind Abrasionserscheinungen an den Oberflächen der Streben zu erkennen.